飛機水平測量又稱飛機的特征點測量，通過測量這些特征點來檢測飛機總體(ti) 裝配質量。目前飛機水平測量工作使用的測量工具包括水平儀(yi) 、光學經緯儀(yi) 、全站儀(yi) 、激光跟蹤儀(yi) 等。傳(chuan) 統飛機水平測量方法是采用水平儀(yi) 、光學經緯儀(yi) 對水平點進行測量。該方法采用人工讀數、記錄和手工計算，需對飛機調整水平狀態，測量過程複雜、人為(wei) 誤差大、自動化程度低。近年來，激光跟蹤儀(yi) 、全站儀(yi) 等先進數字化儀(yi) 器在飛機水平測量中的廣泛應用，一定程度的提高了飛機水平測量的精度、自動化程度，降低了勞動強度。但全站儀(yi) 作水平測量時需輔助設備單棱鏡配合使用，測量精度無法滿足特殊機型的高精度測量要求。激光跟蹤儀(yi) 測量精度高，但其測量時易斷光、接觸式測量、需轉站等問題，使其不適合對大型飛機的測量。本文介紹的飛機數字化水平測量技術具有精度高、效率高、工作量小等優(you) 勢，尤其適合於(yu) 大飛機。測量係統的多功能、高擴展性等特點，使其可擴展應用到飛機型麵檢測、動態對接等技術上，且具有良好的應用前景。 

測量係統硬件組成及其測量原理 

測量係統由兩(liang) 部分組成：iGPS測量係統、激光雷達測量係統。 

       1 iGPS 

iGPS采用基於(yu) 三角定位法的測量技術，iGPS測量係統類似“衛星”網絡（“衛星”就是發射器）。接收器通過接收來自發射器的信號進行處理和計算從(cong) 而進行定位。每個(ge) iGPS發射器的測量範圍有40m，任意數量的iGPS發射器可以用來組建連續的iGPS測量空間，而iGPS的係統誤差在整個(ge) 測量空間是近似均勻分布的。iGPS定位精度最高可達0.2mm(2σ)，測量範圍可根據配置情況無限延伸，這使得iGPS在測量大型部件時能一次完成所有的測量任務而無需多次轉站。 

      如圖1所示，在發射器自身坐標係下，極坐標測量模型為(wei) F =（R 、A 、E ）T ，其中，R為(wei) 發射器到被測目標點的距離、E為(wei) 俯仰角、A為(wei) 水平角。被測目標點為(wei) 圓柱傳(chuan) 感器的中心點，接受發射器發出的信號信息，解算出A和E。水平角和俯仰角的激光範圍構成了發射器的測量空間。

iGPS激光發射器發送兩(liang) 個(ge) 紅外扇形激光信號，一個(ge) 紅外LED 頻閃脈衝(chong) 信號。 

俯仰角E通過兩(liang) 個(ge) 激光扇麵分別掃觸到接收器的時間差計算。 
水平角A的計算是通過脈衝(chong) 信號掃觸的時間與(yu) 兩(liang) 個(ge) 扇麵掃觸時間的平均值的時間差來獲得。 
 

2 激光雷達 

       激光雷達光學測量係統是自動化、便攜式、高精度、非接觸的大型三坐標測量機。其擺脫了現有的非接觸係統大部分都需將傳(chuan) 感器或掃描頭盡可能靠近被測物體(ti) 的表麵，且測量範圍較小等局限。激光雷達運用頻率雷達測距技術和紅外線高精度瞄準鏡，通過得到角度和距離信息計算被測點的正確三維位置。激光雷達可完成大尺寸遠距離自動化測量，其距離測量範圍為(wei) 1~24m 或1~60m，角度範圍測量-45°～ 45°，測量精度為(wei) 10μm+10μm/m（ 2σ）。 

       激光雷達測距原理：激光器發出兩(liang) 束激光，一束射到被測工件表麵並返回到達激光器內(nei) 部；另一束射向內(nei) 部校準光纖。接收器接收返回信號，通過混頻器比較出兩(liang) 束激光的頻率差得出兩(liang) 束激光的時間差，再通過時間與(yu) 距離的關(guan) 係便可以計算出激光測量係統與(yu) 被測點的之間絕對距離[1]。 

目標工具球空間球心坐標的計算公式：

       式中R為(wei) 空間距離，θAZ為(wei) R與(yu) XY平麵的夾角，θEL為(wei) R在XY平麵的投影距離與(yu) X方向的夾角，最終得到以激光雷達位置為(wei) 原點的相對坐標係的三維坐標。 

3 係統總體(ti) 結構 

       根據飛機總裝後外形尺寸的要求、各係統校準要求，觀察點的位置及自動化程度要求，對整個(ge) 係統進行了集成設計。測量係統總體(ti) 結構如圖2所示。

測量方案 

1 確定設備位置布局 

（1）iGPS 激光發射器的布局設計。 

       激光發射器的布局根據單個(ge) 激光發射器的覆蓋範圍、飛機的外形尺寸、以及測量點的分布（主要分布在飛機的機翼底部、機身、垂尾、進氣道唇口、鴨翼等部位上）進行設計。圖3為(wei) 14發射器的iGPS測量係統布局。

        在實際應用中，可根據被測物的尺寸和位置而隨意擺放和調整激光發射器的位置，隻要保證所有的測量點被覆蓋，且每個(ge) 點到最近的激光發射器的位置大於(yu) 等於(yu) 2m即可，與(yu) 此同時盡可能保證發射器之間距離在7~15m。 

（2）激光雷達布站。 

       激光雷達具有較高的靈活性和便攜性，因而在測量廠內(nei) 可根據測量點或物體(ti) 的位置而隨意地擺放位置。圖4為(wei) 4站點布局圖。激光雷達擺放位置由以下因素決(jue) 定： #p#分頁標題#e#

a. 激光雷達離被測點在測量範圍以內(nei) ，測量光線與(yu) 被測麵的角度大於(yu) 10°。 
b. 轉站次數。

2 飛機水平測量流程 

（1）區域劃分：根據被測量的飛機整機水平點的位置來劃分區域，可接觸的水平點使iGPS 測量係統來進行測量，不可接觸的水平點則使用激光雷達測量係統進行測量。 
（2）測量坐標係建立：進行激光雷達布站及iGPS 布局。 
（3）確定iGPS、激光雷達各自的測量坐標係。將iGPS 與(yu) 激光雷達坐標係統一成測量坐標係。 
（4）水平點的測量：用iGPS 測量係統的測量探針—— iProbe 測量飛機機頭、機身兩(liang) 側(ce) 、鴨翼和機翼下方、機腹等部位可方便接觸到的水平點。用激光雷達測量飛機的機背、垂尾、進氣道等處不易接觸到的水平點。 
（5）數字調平：即根據調平條件在軟件中將當前測量坐標係轉換為(wei) 飛機水平測量坐標係，即建立飛機基準坐標係。 
（6）數據處理：根據水平測量檢測表的要求對數據進行處理，得到飛機裝配質量；或將被測點三維坐標數值與(yu) 這些點的理論坐標值進行比較，計算飛機整機水平點變形量偏差。 
（7）分別根據各自測量係統的特點進行測量，最後統一坐標係，建立飛機基準坐標係並且與(yu) 飛機理論坐標係進行統一，數據處理後輸出報告（圖5）。

係統軟件 

        “飛機全機水平測量及校準係統”軟件，將本著操作簡潔、省時、測量流程易於(yu) 實施、數據管理專(zhuan) 業(ye) 的原則來設計。軟件界麵為(wei) 簡體(ti) 中文界麵，運行環境兼容Windows XP 64位操作係統，具有登錄模塊、測量模塊、數據處理模塊、測量報告生成模塊、數據庫管理模塊等功能模塊[2]。

       軟件可以在普通用戶和高級用戶模式之間切換；具有用戶賬戶管理功能和飛機架次管理功能，能根據定義(yi) 的用戶權限實現對應的功能；測量報告以word、Excel或pdf等格式輸出。其軟件界麵如圖6所示，軟件設計流程如圖7所示。

實驗 

       對某型飛機分別采用傳(chuan) 統式水平測量方法、基於(yu) 激光雷達和iGPS測量係統的水平測量方法進行測量，所用時間、測量精度對比分別見表1、表2。

        由表1的時間可以看出，使用數字化水平測量技術進行飛機水平測量所用的時間比傳(chuan) 統水平測量方式所用的時間小得多，約為(wei) 傳(chuan) 統水平測量所用時間的1/4。 

      由表2可以看出，數字化水平測量的精度遠高於(yu) 傳(chuan) 統水平測量精度至少兩(liang) 個(ge) 數量級。 
 

結論 

       本文根據現代飛機製造業(ye) 的發展要求，針對目前飛機水平測量的不足，詳細介紹了大尺寸飛機數字化水平測量係統的組成及方案。本文提到的飛機水平測量技術通過多次實際測量驗證，實驗結果顯示了該技術具有精度高、效率高、工作量小等優(you) 勢，且具有高應用性。(end)